金屬纖維及其混紡紗線直徑系數的計算及測試

趙領航 蔡普寧 賈哲昆 張 元 李建利

(陜西省紡織科學研究所，西安，710038)

金屬纖維具有優良的導熱、耐高溫、耐磨及強度高等特性。目前已開發出金屬纖維枕式密封帶、除塵袋、熱工件輸送帶、阻隔熱簾、耐溫緩沖墊等紡織品;同時采用金屬纖維與其他纖維混紡開發了電磁屏蔽服、防靜電服、孕婦防護服及防護罩等功能性紡織品［1-2］。但由于金屬纖維的密度與傳統紡織纖維的密度差異較大，且有關金屬纖維及其混紡紗線直徑系數的研究鮮見，給紡織設計帶來了一定的困難。為了給金屬纖維在機織物中的應用提供技術參考，本文就金屬纖維及其混紡紗線直徑系數的計算及測試進行研究。

1 金屬纖維的特點

金屬纖維的生產方法主要有單絲拉拔法、切削法、拉拔法、熔抽法四種。紡織用金屬纖維大多采用金屬線材經多次拉拔工藝制成，纖維一般呈長絲條狀，單絲直徑一般為8～24 μm，長度在數十米到百米之間，制成的金屬纖維長絲束可根據單絲根數的不同分成不同規格，一般采用單絲直徑加單絲根數的方式來標識，如 8 μm 2 000 芯、12 μm 1 000 芯等。金屬纖維在與紡織短纖混紡時，要對金屬纖維束進行牽切，使其長度與混紡纖維長度相適應，以保證紡紗工序的順利進行。常見金屬纖維和常規紡織纖維密度見表1，由表1可以看出，金屬纖維的密度比常規紡織纖維大6～7倍［3］。雖然金屬纖維具有表面粗糙、摩擦因數大、剛性強、韌性差、無卷曲、彈性差等特性，嚴重影響紡紗、織造工序的順利進行［4-6］，但其優良的耐高溫性、耐腐蝕性、導電性等，使其在電磁屏蔽、高溫煙氣過濾、隔熱等領域的應用越來越廣泛。

表1 常見金屬纖維和常規紡織纖維密度

2 金屬纖維及其混紡紗線直徑系數測試的意義

織物的幾何結構是織物性能風格的基礎，紗線屈曲程度與經緯紗密度的配合則由紗線直徑決定。在紡紗工序中，紗線直徑決定清紗工藝參數，而在織造工序中，紗線的直徑更是進行機織物、針織物設計和確定編織工藝的重要依據之一［7］。金屬纖維及其混紡紗線作為特種紗線在紡織產品中的應用越來越多，但有關它的直徑系數還未有準確的數值，這影響了金屬纖維及其混紡紗線在后續紡織加工過程中的生產工藝制訂、織物緊度計算及織物風格預測。因此，計算和測試金屬纖維及其混紡紗線的直徑系數十分必要，它將為技術人員設計工藝參數提供重要依據。

3 紗線直徑系數的推導

3.1 紗線直徑的測試方法

紗線直徑的測量主要有顯微鏡法和投影儀法兩種。顯微鏡法是依據紗線線密度選擇合適的顯微鏡放大倍數，并對紗線施加適當的張力將其均勻整齊地排列在載玻片上，移動載玻片測量紗線直徑在目鏡顯微尺上的讀數，再根據物鏡和目鏡顯微尺關系式計算出紗線直徑。

投影儀法是將紗線試樣一端夾持在投影儀載物臺上的夾持器上，另一端施加適當的張力，轉動投影屏，將試樣的一側邊緣與投影屏上的橫線重合，轉動載物臺上的游標尺，使試樣的另一側邊緣與投影屏上的橫線重合，游標尺上兩次讀數之差即為試樣的直徑。

3.2 紗線直徑系數的數學建模

根據各種加捻紗線的外觀情況，發現其形狀較接近圓柱體。為了更好地進行理論推導計算，假設紗線為圓柱體，長為L(m)，質量為m(g)，截面積為s(mm2)，直徑為d(mm)，紗線密度為δ(g/cm3)，則由此可得紗線密度與直徑的關系式［8］：

由式(1)可求出紗線直徑：

紗線的粗細程度即線密度，其定義是1 000 m長的紗線在公定回潮率下的質量，稱為紗線的特克斯(tex)。一般棉紗俗稱為號數，計算方法如下［7-9］：

式中：Nt——紗線線密度，tex;

m——紗線質量，g;

L——紗線長度，m。

由式(2)和式(3)可推導出紗線直徑與紗線線密度的數學關系：

式中的Φ稱為紗線直徑系數。

紗線密度主要由所組成紗線的纖維密度和紡紗生產工藝所決定，根據經驗有：

式中：γ——紡制紗線所用纖維的密度，g/cm3。

則

由式(8)可知，只要知道所用纖維的密度就可計算出紗線的直徑系數。根據表1中幾種常規纖維的密度，采用式(8)可計算出各自純紡紗線的直徑系數，見表2。與各自常用紗線直徑系數進行對比，可以看出兩者基本一致，說明采用式(8)計算純紡紗線的直徑系數是可信的。

表2 幾種常規純紡紗線的常用直徑系數與計算值的對比

4 試樣及測試

本次試驗采用鐵鉻鋁長絲紗及短纖紗、不銹鋼長絲紗及短纖紗，以及我單位所紡制的不同配比的不銹鋼混紡紗作為測試試樣，依據GB/T4743—2009《紡織品 卷裝紗 絞紗法線密度的測定》測定紗線線密度，紗線直徑測試依據 ZB W 04017—1989《紗線直徑測定方法CCD測定儀法》。對金屬纖維純紡紗線分別采用式(6)、式(8)計算紗線直徑系數，并測試紗線線密度，結果見表3;對金屬纖維混紡紗線采用式(6)計算紗線直徑系數，并測試紗線線密度，結果見表4。

表3 金屬纖維純紡紗線測試及計算結果

表4 金屬纖維混紡紗線測試及計算結果

5 試驗結果分析

由表3可以看出，在金屬纖維純紡紗線直徑系數計算時，式(6)和式(8)均可應用且結果相近，這為金屬純紡紗線直徑系數的計算提供了不同路徑，如在只知道纖維密度時，可直接采用式(8)計算;如不知道纖維密度，或紗線是幾種纖維混紡制得的，則可通過測量紗線直徑及線密度采用式(6)計算紗線直徑系數。由表3可知，鐵鉻鋁純紡紗線的直徑系數為0.017 0～0.017 1，不銹鋼純紡紗線的直徑系數為0.016 5～0.016 7。為了計算方便，我們可以將密度為7.3～8.0 g/cm3的金屬纖維紗線的直徑系數均取值0.017。

通過計算不同配比金屬纖維混紡紗線的直徑系數(見表4)，可以確定常用混紡比的金屬纖維紗線的直徑系數范圍，這可為生產工藝計算提供幫助。由表4可知，隨著紗線中金屬纖維含量的增加，紗線直徑系數逐漸減小，當金屬纖維含量為0～30%時，直徑系數變化較慢;而當含量為40%～100%時，直徑系數變化較快。這主要是由于金屬纖維和普通紡織纖維的密度差異較大，當金屬纖維含量為0～30%時，普通紡織纖維占主體，對紗線直徑系數的影響較小;而當金屬纖維含量為40%～100%時，金屬纖維占主導地位，對紗線直徑系數的影響較大。

6 結語

(2)對比不銹鋼、鐵鉻鋁純紡紗線的直徑系數，當纖維密度為7.3～8.0 g/cm3時，金屬纖維純紡紗線的直徑系數可取值0.017。

(3)金屬纖維混紡紗線的直徑系數與金屬纖維的含量基本呈線性關系，當金屬纖維含量為40%～100%時，金屬纖維占主導地位，對紗線直徑系數的影響較大。

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